КЕЙС: 3D-сканирование уникальных масок

Рассказываем о том, как оцифровывали уникальные маски для виртуальной выставки «Искусство маски», какое оборудование применялось, какие сложности при этом возникали и как их удалось преодолеть.

Содержание

О проекте

Выставка «Искусство маски» — проект, который открыт в виртуальном пространстве в рамках ежегодной Красноярской ярмарки книжной культуры КРЯКК под эгидой фонда Михаила Прохорова.

В экспликации к выставке говорится: «Маска – одно из самых загадочных явлений культуры и невероятно притягательный, в том числе и благодаря своему игровому потенциалу, предмет гардероба. Работая преимущественно с верхней частью лица, маска включается в игры с идентичностью, что делает ее неизменно привлекательной для экспериментов среди художников и дизайнеров».

Сайт виртуальной выставки «Искусство маски»

Полученная в результате сканирования модель используется на сайте

Для онлайн-выставки «Искусство маски» было собрано и отсканировано 34 работы, выполненных в самых разных материалах и техниках. Проект предполагает уникальный опыт погружения в особую среду, где взаимодействие пользователя с 3D-моделями сопровождается атмосферной музыкой.

Интерактивная 3D-модель маски Oceania

Задача

Страница маски Oceania на сайте виртуальной выставки «Искусство маски»

Организаторы выставки обратились к нам с необычным заказом: согласно их идее, концепция сайта, посвященного выставке, должна включать не просто изображения масок, а 3D-модели — только в этом случае с уникальной работой можно ознакомиться максимально близко: повертеть, рассмотреть под разными ракурсами, увеличить и ознакомиться с деталями или, наоборот, взглянуть на общий вид маски.

Маска Oceania перед 3D-сканированием, автор: Дмитрий Шабалин

Как сообщил заказчик, этот проект был уникальным — раньше перед организаторами не стояло подобных задач, так как все выставки проходили очно. В связи с пандемией и закрытием выставочных пространств, было решено перевести мероприятие в онлайн-формат. При этом было важно сохранить ощущение обзора экспоната на 360 градусов, которое дает личное присутствие на мероприятии. Заказчик стоял перед выбором: либо снимать «видео 360», либо подготовить 3D-модель — последняя опция казалась сложнее, но эффектнее.

Если говорить техническим языком, то заказчику требовались 3D-модели с текстурами и материалами, а также возможность выгрузить их на специальный онлайн-сервер для просмотра 3D-объектов, чтобы пользователь в реальном времени и без установки специального софта мог посмотреть детальную трехмерную модель.

Сначала специалисты Top 3D Shop планировали моделировать большую часть предоставленных масок, а 3D-сканирование рассчитывали применять только для наиболее сложных с точки зрения геометрии экземпляров.

Однако возможности имеющегося оборудования позволили получить около 80% геометрии с помощью одного лишь сканирования, и этого хватило для создания финальных 3D-моделей.

Проблемы

Маска Red Pixel, автор: Анастасия Алехина

В самом начале реализации проекта было выявлено несколько сложностей. Одна из них — сжатые сроки. Маски приезжали партиями из нескольких городов. Первая партия из десяти масок, к примеру, была передана на одну неделю. За это время нужно было получить хороший скан всех объектов, довести их до максимально качественного результата, а затем выгрузить на платформу для просмотра моделей.

По словам заказчика, многие компании, выполняющие подобные услуги, отказались от сотрудничества именно по этой причине — сославшись на то, что это слишком сложный проект, который необходимо выполнить в слишком сжатые сроки.

Еще большая сложность заключалась в самих масках. Некоторые из них были очень подвижны — их геометрия менялась даже при малейшем наклоне или повороте на манекене. Структура других имела очень глубокие впадины. Какие-то из масок почти полностью состояли из прозрачного стекла, некоторые были черными, а какие-то — вообще зеркальными.

Маска «Отражение души», автор: Кристина Голец

Наконец, в процессе сканирования нужно захватить не только геометрию, но и максимально близкую к оригиналу текстуру. А это непросто, если учитывать количество переменных, которые должны совпасть — цветопередача, падающий свет, отражение света от материала, яркость, контрастность. Нужно учитывать и тот факт, что мы, своими глазами, воспринимаем на оригинале один цвет, и по-другому видим то, как передает цвет и свет экран компьютера. И, наконец, цвета могут выглядеть совершенно иначе при демонстрации 3D-модели онлайн, при рендере сервером в режиме реального времени.

Процесс и оборудование

Маска Mohawk, автор: Ваня Тоник

В процессе 3D-сканирования масок — а всего было отсканировано 34 экземпляра, — специалисты отдела услуг Top 3D Shop пользовались двумя сканерами: EinScan Pro 2X Plus и EinScan Pro HD производства компании Shining 3D.

3D-сканер Shining 3D EinScan Pro 2X Plus

3D-сканер Shining 3D EinScan Pro HD

С самого начала для работы над проектом планировалось использовать EinScan Pro 2X Plus. Этот 3D-сканер давно зарекомендовал себя как высокоточный инструмент для ручной оцифровки объектов разных масштабов и с разным уровнем сложности геометрии. Вы можете узнать о нем больше из обзора EinScan Pro 2X Plus.

В случае с масками, ручное сканирование, в силу описанных выше сложностей, было единственным вариантом реализации проекта.

Дополнительно с EinScan Pro 2X Plus также использовался модуль цвета. По сути — дополнительная камера, которая с высокой точностью захватывает текстуру объекта и позволяет создавать максимально реалистичную цифровую модель. О ней вы можете прочитать в обзоре модулей для 3D-сканеров.

Модуль цвета для 3D-сканеров Shining 3D EinScan Pro

Чуть позже у специалистов отдела услуг появилась возможность опробовать в работе новое поколение ручных сканеров Shining 3D — EinScan Pro HD. По ряду параметров новинка обходит устройства предыдущего поколения. Pro HD обладает более высокой точностью, разрешением и скоростью сканирования. Ключевым же фактором, после которого специалисты полностью перешли на использование нового сканера, оказалась отличная возможность сканирования тёмных и черных объектов. Обзор EinScan Pro HD рассказывает больше об этом сканере.

Были и такие детали, которые не удалось отсканировать ни при каких условиях — это зеркало на одной из масок и сетчатые поверхности. Но той геометрии, которую смог «поймать» сканер, вполне хватило для последующего ручного моделирования.

Подготовка финальных 3D-моделей

После 3D-сканирования начинается процесс обработки готовых сканов: чистка, сшивка, заделывание дыр в полигональной сетке, затем — настройка яркости и контрастности текстуры в программном обеспечении сканера, и наконец — дальнейшее упрощение и оптимизация текстуры для сервера. Ниже мы рассказываем об этом процессе подробнее.

После сканирования, мы получаем облако точек. В нашем случае — облако точек и текстуру самого объекта. Так выглядит уже полностью отсканированный объект.

Выбираем разрешение модели — доступны три уровня сложности (количество полигонов). На этом этапе желательно понимать, какая модель нужна в результате и позволит ли вообще геометрия модели выгрузить ее в низкополигональном виде. Так, если на модели присутствует много мелких деталей, то стоит задаться вопросом: понадобятся ли эти детали в дальнейшем.

Мы выбрали высокополигональную модель, чтобы упростить ее позже. Плотность точек и отношение скорости к качеству в нашем случае не играют особой роли, но в других проектах регулировка этих параметров может ускорить обработку или повысить качество модели.

Теперь переходим непосредственно к редактированию меша, то есть полигональной сетки модели — нажимаем на кнопку Mesh Model.

Нам предлагают на выбор заполненную или незаполненную модель (Watertight и Unwatertight): в первом случае заполняются все отверстия (в том числе от меток, если они были) — даже большие, которые не нужно заполнять. Этот способ подходит для полностью (или почти полностью) закрытых сканов, которые программа не сможет исказить при обработке.

Если же в скане были большие разрывы или необходимо полностью устранить вмешательство программы в геометрию, что особенно критично при сканировании объектов для реверс-инжиниринга, то способ Watertight не подходит.

В нашем случае он не подходит, так как скан не замкнут, у маски нет задней стенки и она не требуется для окончательного проекта. Кроме того, алгоритм Watertight слишком грубо сужает большие разрывы.

Выбираем второй вариант — он ничего не сшивает, не заполняет отверстия от меток, не изменяет геометрию.

Начинается преобразование меша. Этот этап может занимать от нескольких секунд до десятков минут (в нашем случае — около 15 минут), все зависит от размера проекта, объема оперативной памяти и производительности компьютера.

Если вы запускаете программу на компьютере с низкой производительностью или небольшим количеством оперативной памяти, будьте готовы к многочасовому процессу, а в некоторых случая и к сбоям при обработке.

Если вы не уверены в производительности компьютера, обязательно сохраните проект сканирования. Если уверены — всё равно, лучше сохранить копию. В противном случае можно потерять не только время, но и сам проект.

Меш обработан, остаются небольшие разрывы. Они не бросаются в глаза, но их стоит обработать. В окне Manual Hole Filling (ручное заполнение разрывов и отверстий) выбираем один из трех алгоритмов и запускаем скан на обработку. В большинстве случаев рекомендуется использовать тип Tangent (тангенциальное заполнение) — такое заполнение отверстий не приводит к образованию выпуклостей над основной плоскостью, даже если она криволинейна. Если поверхность плоская — подойдет вариант Flat, если криволинейна или зигзагообразна — Curvature.

Можно заполнить выбранным типом автоматически все полости, можно выбрать вручную часть их — выделенные полости подсветятся зеленым цветом. По окончании заполнения переходим к редактированию текстуры.

В программном обеспечении Shining 3D не так много возможностей настройки текстуры — только яркость и контрастность. А вот цветокоррекцию придется делать в сторонней программе, предварительно выгрузив текстуру.

После настройки яркости и контрастности переходим к упрощению геометрии. Эта процедура позволяет уменьшить размер финальной модели в мегабайтах, и надо понимать, что ее выполнение также удалит мелкие детали. Следует подобрать подходящие настройки упрощения, чтоб не потерять необходимой детализации.

Что удобно, до сохранения программа показывает итоговый размер модели в разных форматах. Мы выбрали OBJ — в отличие от STL, он позволяет “подтянуть” текстуру модели.

Переходим к заключительному этапу — ретопологии (Texture Remapping), которая представляет собой подготовку развертки или карты текстуры. После сканирования мы получаем очень сырую и разрозненную текстуру, с которой невозможно работать вручную. Смотрите примеры ниже.

На этом этапе, помимо собственно ретопологии, также осуществляется устранение разрывов и неточностей текстуры. В целом, можно обойтись без ретопологии — только убрать ошибки в текстуре. Но после этого вы не сможете работать с текстурой вручную.

Если поставить галочку на Texture Optimization (оптимизация текстуры), то, помимо исправления ошибок, будет проведена и ретопология. Это увеличит время обработки, но избавит от необходимости возвращаться к этому этапу еще раз (реализовать этот этап обработки вне проекта нельзя, так как теряется связь между сканом, снимками текстур и мешем).

Процесс ремаппинга с ретопологией обычной занимает около 3 минут

Во избежание потери изменений и правок, не забывайте периодически сохранять проект. По окончании описанных выше процессов можно поработать с текстурой модели отдельно, а затем выгрузить результат на сайт.

Текстура без оптимизации (ретопологии)

Текстура после оптимизации

Текстура созданная 3D-моделлером вручную с нуля (для сравнения)

Черновая 3D-модель маски «Ветер перемен», автор: Ульяна Поляничева

Финальная 3D-модель маски «Ветер перемен», автор: Ульяна Поляничева

На самом сервере, а заказчик предложил воспользоваться уже имеющимся аккаунтом сервиса хранения и демонстрации 3D-моделей SketchFab, настраивался свет, ограничения вращения, свойства материалов и параметры камеры рендера.

3D-модели масок на сайте SketchFab

Итоговый объем данных составил около 200 гигабайт и включал исходники облака точек, текстуры с материалами и уже готовые 3D-модели.

Итоги

Изначально предполагалось, что 3D-сканеры захватят не всю геометрию и, скорее всего, лишь частично справятся с прозрачными, блестящими и черными текстурами. Но оказалось, что, при должном подходе, немного помогая сканерам на зеркальных и прозрачных текстурах малым, почти незаметным слоем матирующего спрея, можно считать и текстуру, и геометрию таких объектов. А мощности и яркости встроенной в сканеры подсветки хватило на захват черных поверхностей.

Клиент, в целом, остался доволен выполненной работой и сроками завершения 3D-моделей. Стоит отметить, что сложность конструкции некоторых масок была настолько высока, что при воссоздании их цифровых копий имело смысл прибегнуть к «чистому» 3D-моделированию с нуля.

Что касается надежности и точности использованного оборудования, оба сканера — EinScan Pro 2X Plus и EinScan Pro HD производства компании Shining 3D, — показали себя с наилучшей стороны. Новейший 3D-сканер Pro HD подтвердил в рабочих условиях все заявленные производителем изменения, которые отличают это устройство от моделей предыдущего поколения — более высокую точность, разрешение и скорость сканирования, а также улучшенную возможность сканирования объектов темного или черного цвета.

Ознакомится с экспозицией выставки и другими проектами фонда вы можете в Instagram, в Facebook и на сайте КРЯКК.